JPH1068896A - マイクロ・メカニカル・デバイスのためのノン・リニア・ヒンジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 平衡位置へ自力で敏速に復帰するマイクロ・
メカニカル・デバイス用のミラーのヒンジを得る。 【解決手段】 ヒンジにより移動できる素子（１１、２
１）を有するマイクロ・メカニカル・デバイス（１０、
２０）用のノン・リニア・トーション・ヒンジ。各ヒン
ジ（２２）は同一平面内に間隔をとって離してある二本
のヒンジ・ストリップ（２２ａ）を含んでなり、ヒンジ
・ストリップ（２２ａ）の少なくとも一本の回転軸は、
移動できる素子（２１）の回転軸と異なっている。この
結果、ヒンジ・ストリップ（２２ａ）は、ねじれるにつ
いて引き伸ばされ、これにより、より大きな復帰のトル
クを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】この発明は、マイクロ・メ
カニカル・デバイスに関し、特にトーション・ヒンジ
（ねじり丁番）により回転する一個またはそれ以上の可
動な素子を有するマイクロ・メカニカル・デバイスに関
する。

【０００２】

【従来の技術】電気機械技術の最近の発展の一つは、種
々の機械装置の小型化である。このような装置の典型的
なものは、ごく小さな歯車、レバー、バルブである。こ
れらの「マイクロ・メカニカル」デバイスは、集積回路
の技法を用いて、しばしば電気的制御回路と一緒に製造
される。一般的な応用には、加速度計、圧力センサ、ア
クチュエータが含まれる。もう一つの例としては、空間
的な光変調器が、マイクロ・メカニカル反射鏡素子から
形成され得る。

【０００３】マイクロ・メカニカル・デバイスの一つの
タイプに、変形可能なミラー・デバイスとも呼ばれるデ
ィジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）があ
る。ＤＭＤは、数百個または数千個の小さな傾斜するミ
ラーのアレー（配列）を有している。ＤＭＤに入射した
光は、各々のミラーにより画像平面へ選択的に反射さ
れ、または反射されないことにより、画像を形成する。
ミラーが傾斜できるように、各々のミラーは一個または
それ以上のトーション・ヒンジに取り付けられている。
ミラーは、エア・ギャップにより、下敷きになっている
制御回路と間隔をおいている。制御回路は静電力を供給
し、この静電力が、各々のミラーを選択的に傾斜させ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＤＭＤの最適な運転の
ためには、望まれた時には、各ミラーが迅速にその傾斜
していない（平衡の）位置に戻ることが望ましい。トー
ション・ヒンジを用いた他のマイクロ・メカニカル・デ
バイスも想像できる。ＤＭＤの場合と同様に、その平衡
位置へ自力で復帰することが望ましい。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の一つの面は、
ヒンジに支持された少なくとも一個の回転素子を有し、
この回転素子は回転軸のまわりを回転するようになって
いるタイプの改良されたマイクロ・メカニカル・デバイ
スである。このヒンジは少なくとも二本のヒンジ・スト
リップを含んでなる。これらのヒンジ・ストリップは、
同一平面内に間隔をあけて離してあり、少なくとも、一
本のヒンジ・ストリップの回転軸が、回転素子の回転軸
に対して、実質的に平行で、しかし偏芯しているように
なっている。

【０００６】この発明の一つの長所は、ヒンジが取り付
けられている回転素子の回転角度が増大するにつれて、
トルクがノン・リニア（非線形的）に増大するヒンジを
提供することである。静電引力により運転されるヒンジ
にとって、このノン・リニアなトルクは、加えられた電
界のノン・リニアな力に相当する。結果として、ヒンジ
は、より大きな回復力を有し、しかも回転を開始するた
めに加える力を比較的に小さなままにとどめることがで
きる。他の面にランディング（着陸）する回転素子は、
より緩やかにランディングする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下の説明は、「変形可能なミラ
ー・デバイス」とも呼ばれる「ディジタル・マイクロミ
ラー・デバイス」（ＤＭＤ）の特定のタイプに関する例
示である。「従来の技術」の項に記述したように、ＤＭ
Ｄは、複数の小さなヒンジつきのミラーを含んでなり、
各ミラーは、制御回路の基板をおおって支持されてい
る。この発明は改良されたトーション・ヒンジに向けら
れているが、ここで「トーション・ヒンジ」とは、曲げ
るのに対してねじることによって運転するヒンジを意味
する。

【０００８】ＤＭＤの一つの応用は画像の形成用であ
り、ここでＤＭＤは偏向可能なミラーのアレーを有し、
ミラーは画像平面へ光を選択的に反射する。ＤＭＤによ
り形成された画像はディスプレイ・システムやノン・イ
ンパクト・プリントのアプリケーションで使用できる。
ＤＭＤの他のアプリケーションは、光学的操舵、光スイ
ッチ、加速度計のように画像情報を含まないことがあり
得る。これらのアプリケーションのうちのあるもので
は、「ミラー」は反射的である必要はない。また、いく
つかのアプリケーションにおいては、ＤＭＤは、ディジ
タル・モードよりもアナログ・モードで運転される。一
般に、ここで「ＤＭＤ」という語で意味するものは、そ
の動きに関して基板との間にエアー・ギャップをおいて
間隔を取っていて、ヒンジで装着した偏向可能な素子の
少なくとも一個を有する任意のタイプのマイクロ・メカ
ニカル素子を含む。

【０００９】この発明はまた、トーション・ヒンジに取
り付けられた回転素子を有する他のタイプのマイクロ・
メカニカル・デバイスにも使用できる。ＤＭＤのミラー
素子と同様に、他のマイクロ・メカニカル・デバイス
も、トーション・ヒンジのねじりによって動く回転部品
を有するであろう。ここでＤＭＤのヒンジについて論じ
られるのと同じ考え方が、任意のマイクロ・メカニカル
・トーション・ヒンジに応用できるであろう。

【００１０】図１は、ＤＭＤの単一のミラー素子１０の
分解透視図である。図１において、ミラー１１は偏向さ
れていないが、矢印によって示されているように、その
トーション・ヒンジ１２は、二方向のいずれへも偏向さ
れることができる。上記で指摘したように、種々のＤＭ
Ｄのアプリケーションで、こうした素子１０を単独また
はアレーにして使用できる。

【００１１】図１のミラー素子１０は、「ヒドン・ヒン
ジ」ミラー素子として知られている。他のタイプのミラ
ー素子１０が製作可能であり、その中には第２図に結び
付けて後記する「トーション・ビーム」タイプが含まれ
ており、これは、ヒンジを取り付けたヨークの上にでな
く、ヒンジに直接にミラーが装着されている。種々のタ
イプＤＭＤが、米国特許第４６６２７４６号、名称「空
間的光変調器と方法」、米国特許第４９５６６１０号、
名称「空間的光変調器」、米国特許第５０６１０４９
号、名称「空間的光変調器とその方法」、米国特許第５
０８３８５７号、名称「マルチ・レベル・デフォーマブ
ル・ミラー・デバイス」、米国特許シリアル・ナンバー
０８／１７１３０３、名称「改良されたマルチ・レベル
・マイクロミラー・デバイス」に記述されている。これ
らの特許はいずれもテキサス・インスツルメンツ株式会
社に譲渡され、また本書の参考文献の中に組み込まれて
いる。

【００１２】他のヒドン・ヒンジＤＭＤの設計と同様
に、ミラー素子１０のヒンジ１２は、基板上に形成され
たヒンジ・サポート・ポスト１３により支持されてい
る。アドレス電極１４は、ヒンジ１２とヒンジ・サポー
ト・ポスト１３と同じ水平面にある電極サポート・ポス
ト１５により支持されている。

【００１３】ミラー・サポート・ポスト１６は、ランデ
ィング・ヨーク１７上に製作できる。ランディング・ヨ
ーク１７は、二個のヒンジ１２の各々の一端に取り付け
られる。各ヒンジ１２の他端は、ヒンジ・サポート・ポ
スト１３へ取り付けられる。ヒンジ・サポート・ポスト
１３と電極サポート・ポスト１５は、ランディング・パ
ッド１８ａとアドレス電極１８ｂを有する基板の上で、
ヒンジ１２とアドレス電極１４とヨーク１７を支持す
る。ミラー１１が傾斜すると、ランディング・ヨーク１
７の先端は、基板１８のランディング・パッド１８ａに
接触する。ランディング・パッド１８ａとアドレス電極
１８ｂは、メモリ・セル（図示せず）に適切に電気的に
接続されていて、メモリ・セルは、典型的にＣＭＯＳ技
術を用いて、同一基板内に製作される。

【００１４】図２は、トーション・ビーム・タイプのＤ
ＭＤの一つのミラー素子２０を図解する。ヒンジ２２は
隠されて居らず、むしろミラー２１の両側から突き出て
いる。ヒンジ２２はヒンジ・サポート・ポスト２３に取
り付けられている。アドレス電極２６が、ミラー２１を
傾斜させる引力を供給し、ミラー２１はランディング・
パッド２７に接触する。ミラー素子２０は、メモリ・セ
ルと制御回路の基板２８の上に重ねて製作される。

【００１５】図１および図２の多くの変形が可能であ
る。たとえば、ヨーク１７（またはミラー２１）に刻み
目をつけて、ヒンジ１２（または２２）を挿入できる。
ヒンジ１２（または２２）は、図１のようにヨーク１７
（またはミラー２１）の側部に取り付けても、図２のよ
うに隅に取り付けても良い。さらにヒンジの取り付け
は、両方の隅または両方の側部で行う必要はない。ヒン
ジは、非対称形の傾斜ができるように取り付けても良
い。

【００１６】画像ディスプレイのアプリケーションのた
めの作業において、たとえばミラー素子２０のアレーを
用いて、光源がＤＭＤの表面を照らしている。光をミラ
ー素子２０のアレーとほぼ同じ大きさにし、この光をミ
ラー素子２０に向けるために、レンズ・システムを使用
してもよい。基板２８のメモリ・セル内のデータにもと
ずく電圧が、アドレス電極２６に加えられる。アドレス
電極へ選択的に電圧を加えることにより、ミラー２１と
そのアドレス電極２６の間の静電力が作られる。この静
電力が、各ミラー２１をほぼプラス１０度またはほぼマ
イナス１０度に傾斜させ、これによりＤＭＤの表面への
入射光を変調する。「オン」のミラー２１から反射され
た光は、ディスプレイ光学装置を経由して画像平面に向
けられる。「オフ」のミラー２１からの光は、画像平面
の外へ反射される。この結果のパターンが一つの画像を
形成する。あるミラーが「オン」となる各画像フレーム
中の時間の比率が灰色の暗度を決定する。カラー・ホイ
ールまたは三台のＤＭＤの設定により、色彩を加えるこ
とができる。

【００１７】実際、ミラー２１とそのアドレス電極２６
は、コンデンサを形成する。適当な電圧がミラー２１と
そのアドレス電極２６に加えられると、その結果として
の（引力または反発の）静電力が、ミラー２１を引き付
けるアドレス電極２６へ向かって傾斜させるか、または
反発するアドレス電極２６から離れて傾斜させる。ミラ
ー２１は、その端が下にあるランディング・パット２７
に接触するまで傾斜する。アドレス電極２６とミラー２
１の間の静電力が除去されるやいなや、ヒンジ２２の中
にたくわえられたエネルギーが、ミラー２１を偏向して
いない位置へ復帰させる力を供給する。ミラー２１が偏
向していない位置へ戻るのを助けるために、ミラー２１
またはアドレス電極２６に適当な電圧を加えてもよい。

【００１８】この発明の一つの面は、ミラー２１（また
はヨーク１７）が回転するとき、電界が非線形的に増大
することの認識である。突然のランディングを防止し、
強い復帰力を供給するために、ヒンジ２２（または１
２）は、非線形的に応答すべきである。以下に説明する
が、ヒンジ１２とヒンジ２２のそれぞれを、二つの隣り
合ったヒンジ・ストリップから作ることにより、これは
達成できる。

【００１９】図３は、ミラー２１とヒンジ２２を更に詳
細に説明する。ミラー素子１０のヨーク１７とヒンジ１
２は、この発明の目的のために構造上また作業上で均等
なものである。ミラー２１の回転軸はＹ−Ｙに沿ってい
る。各ヒンジ２２は、ペアのヒンジ・ストリップ２２ａ
を含んでなり、ペアのヒンジ・ストリップは同一平面内
で間隔をとって離してある。各ヒンジ・ストリップ２２
ａは、固有の回転軸を有している。この説明の例では、
各ヒンジのヒンジ・ストリップ２２ａは並んでいて、二
つの回転軸ｈ₁ −ｈ₁ およびｈ₂ −ｈ₂ が存在するよう
になっている。図示のように、これらの回転軸は、ミラ
ーの回転軸と平行であるが、位置をはずされている。そ
の結果、ミラーの回転の間、ヒンジ・ストリップ２２ａ
は伸ばされる。ヒンジ・ストリップ２２ａを伸ばすのに
必要なこの増加された力は、復帰トルクを増加させる結
果になる。

【００２０】この発明によるヒンジ２２は、ミラー２１
の側部ごとに一体のヒンジではなく二個のヒンジ・スト
リップ２２ａをエッチングすることにより、ＤＭＤの製
作工程に組み込まれる。典型的なＤＭＤは、約１６マイ
クロメートル平方のミラー２１を有している。この寸法
のミラー２１のためのヒンジ・ストリップ２１ａの幅ｗ
は、約１マイクロメートルである。それらの長さは約４
マイクロメートルである。ヒンジ・ストリップの間の距
離ｄは、約１マイクロメートルである。このｗとｄの寸
法は、ホトリソグラフィーの性能により制限される。解
像力の性能がもっと良ければ、より小さな寸法も可能に
なる。

【００２１】ピクセルの回転の一度あたりのヒンジの伸
びの量は、ヒンジ２２のヒンジ・ストリップ２２ａの間
の分離の距離によって調節できる。分離の距離を大きく
すればするほど、より大きな程度の非線形性が得られ
る。与えられた分離の距離ｄにより作りだされるヒンジ
の伸びの小さな角度における近似式は

【数１】 ここで、

【数２】 ｄ＝隣合ったヒンジの間の分離の距離 Θ＝ミラーの回転角度 Ｌ＝ヒンジの長さ

【００２２】図４は、ヒンジ２２の代わりの実施例を図
解する。ヒンジ１２は同様に修正できる。ヒンジ・スト
リップを互いに平行にする代わりに、各ヒンジ２２のヒ
ンジ・ストリップ２２ａは、Ｖ字形を形成している。こ
の設計により、ヒンジの形を周辺の構造に対応したもの
にすることができる。

【００２３】図５は、ヒンジ２２の代わりの実施例であ
るヒンジ５２を図解する。二本のヒンジ・ストリップを
間隔をあけて配置する代わりに、各ヒンジ５２は幅が広
い。その長さに対する幅の比率は、ミラー２１の回転角
が増した時に非線形的なトルクを生じるように充分な幅
がある。ヒンジ１２は、同様に修正できる。幅の広いヒ
ンジ５２の一例は、幅が２マイクロメートル、長さが４
マイクロメートルである。

【００２４】図６は、この発明によるノン・リニア・ヒ
ンジおよび通常のマイクロ・メカニカル・ヒンジにおけ
るトルクと角度の関係を図解する。ノン・リニア・ヒン
ジは、幅１マイクロメートル、長さ４マイクロメートル
の二本のストリップを、１マイクロメートルの間隔をあ
けて有している。リニア・ヒンジは、幅１マイクロメー
トル、長さ４マイクロメートルの一本である。回転軸が
鏡の回転軸に相当するリニア・ヒンジについては、トル
クと角度の関係は線形である。

【００２５】次にその他の実施例について説明する。以
上に特定の実施例を参照してこの発明を記述してきた
が、この記述は限定的な意味に解釈されることを意図す
るものではない。開示された実施例の種々な修正が代わ
りの実施例とともに、この技術に熟練した人々には自明
であろう。それ故、本書の特許請求の範囲は、この発明
の真実の範囲に入るすべての修正を含むものと考えてい
る。

【００２６】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る

【００２７】（１） ヒンジに支持された少なくとも一
個の回転素子を有し、前記回転素子は回転軸のまわりを
回転するようになっている改良されたマイクロ・メカニ
カル・デバイスであって、前記ヒンジは少なくとも二本
のヒンジ・ストリップを含んでなり、前記ヒンジ・スト
リップは同一平面内に間隔をあけて離してあり、少なく
とも一本の前記ヒンジ・ストリップの回転軸が、前記回
転素子の回転に平行で、しかし偏芯しているようになっ
ており、また、前記ヒンジ・ストリップは、長さに対す
る幅の寸法が、前記回転素子が回転した時に、前記ヒン
ジの縁がノン・リニアの伸びの歪を受けるようになって
いるマイクロ・メカニカル・デバイス。

【００２８】（２）前記ヒンジ・ストリップは実質的に
平行である第１項記載の改良されたマイクロ・メカニカ
ル・デバイス。

【００２９】（３）前記ヒンジ・ストリップは実質的に
Ｖ字形である第１項記載の改良されたマイクロ・メカニ
カル・デバイス。

【００３０】（４）前記ヒンジ・ストリップは、約１マ
イクロメートルの幅をそれぞれ有する第１項記載の改良
されたマイクロ・メカニカル・デバイス。

【００３１】（５）前記ヒンジ・ストリップは、約１マ
イクロメートルの間隔をとって離してある第１項記載の
改良されたマイクロ・メカニカル・デバイス。

【００３２】（６）前記ヒンジ・ストリップは、約１：
４又はそれ以下の幅対長さの比率をそれぞれ有する第１
項記載の改良されたマイクロ・メカニカル・デバイス。

【００３３】（７）ヒンジで支持された少なくとも一個
の回転素子を有し、前記回転素子が回転軸のまわりを回
転するようになっているタイプの改良されたマイクロ・
メカニカル・デバイスであって、改良点として、前記回
転素子が回転した時に、前記ヒンジの縁が非線形の伸び
歪を受けるような幅対長さの比率を有する前記ヒンジを
含んでなる改良されたマイクロ・メカニカル・デバイ
ス。

【００３４】（８）前記ヒンジの幅対長さの比率が１：
２よりも大きい第７項の改良されたマイクロ・メカニカ
ル・デバイス。

【００３５】（９）前記ヒンジの寸法は、幅が約２マイ
クロメートル、長さが約４マイクロメートルである第７
項の改良されたマイクロ・メカニカル・デバイス。

【００３６】（１０）少なくとも一個のランディング電
極と、サポート・ポストと、前記サポート・ポストから
展開している少なくとも一つのヒンジと、前記ヒンジに
取り付けられたミラーとの素子がその上に製作された基
板を含んでなるディジタル・マイクロミラー・デバイス
（ＤＭＤ）であって、加えられた力を受けると前記ミラ
ーが前記ランディング電極の方へ移動することができる
ように前記少なくとも一つのヒンジは変形可能であり、
さらに、前記ヒンジは少なくとも二本のヒンジ・ストリ
ップを含んでなり、前記ヒンジ・ストリップは同一平面
内に離間して配置され、前記ヒンジ・ストリップの少な
くとも一本の回転軸は、前記移動する素子の回転軸に平
行であるが偏芯していて、前記回転する素子が回転する
ときに前記ヒンジの縁が非線形の伸び歪を受けるよう
に、前記ヒンジ・ストリップは長さに対する幅の寸法を
有しているディジタル・マイクロミラー・デバイス。

【００３７】（１１）前記ヒンジ・ストリップは実質的
に平行である第１０項のデバイス。

【００３８】（１２）前記ヒンジ・ストリップは実質的
にＶ字形である第１０項のデバイス。

【００３９】（１３） 前記ヒンジ・ストリップは約１
マイクロメートルの幅を有する第１０項のデバイス。

【００４０】（１４）前記ヒンジ・ストリップは約１マ
イクロメートルの間隔をとって離してある第１０項のデ
バイス。

【００４１】（１５） 前記ヒンジ・ストリップは約
１：４またはそれ以下の幅対長さの比率を有する第１０
項のデバイス。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるノン・リニア・ヒンジを有する
ディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）のヒ
ドン・ヒンジ・タイプのミラー素子の分解透視図。

【図２】この発明によるノン・リニア・ヒンジを有する
ＤＭＤのトーション・ビーム・タイプのミラー素子の透
視図。

【図３】図１および図２のヒンジの更なる詳細図。

【図４】図１および図２のヒンジの代わりの実施例を示
す図。

【図５】ノン・リニア・ヒンジの代わりのタイプ示す
図。

【図６】この発明によるマイクロ・メカニカル・ヒンジ
の非線形のトルクと角度の関係を、通常のマイクロ・メ
カニカル・ヒンジと比較した図。

【符号の説明】

１０ マイクロ・メカニカル・デバイスの単一のミラー
素子。 ２０ マイクロ・メカニカル・デバイスの単一のミラー
素子。 １１ 回転素子（ミラー） ２１ 回転素子（ミラー） １２ ヒンジ ２２ ヒンジ ２２ａ ヒンジ・ストリップ ５２ ヒンジ・ストリップ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヒンジに支持された少なくとも一個の回転
   素子を有し、前記回転素子は回転軸のまわりを回転する
   ようになっている改良されたマイクロ・メカニカル・デ
   バイスであって、前記ヒンジは少なくとも二本のヒンジ
   ・ストリップを含んでなり、前記ヒンジ・ストリップは
   同一平面内に離間して配置され、少なくとも一本の前記
   ヒンジ・ストリップの回転軸が、前記回転素子の回転に
   平行で、しかし偏芯しているようになっており、また、
   前記ヒンジ・ストリップは、長さに対する幅の寸法が、
   前記回転素子が回転した時に、前記ヒンジの縁がノン・
   リニアの伸びの歪を受けるようになっているマイクロ・
   メカニカル・デバイス。